[发明专利]基于模型预测控制的锂电池组主动均衡控制方法

说明书

本发明公开了一种基于模型预测控制的锂电池管理系统主动均衡控制方法。每个单体电池并联一个由双向反击电路构成的DC/DC转换器构成的主动均衡器，对该主动均衡器进行建模，并以此模型为基础使用模型预测控制，通过整数规划和分支界定法获得最优的均衡器控制序列，使得均衡器可以实现所有单体电池在同一时刻充电或者放电；由于均衡电流固定，每个均衡器每一时刻有放电、静置或充电其中一种状态，因此将整数规划和分支界定法引入该均衡器控制的设计中，有效减少了模型预测控制的搜索最优控制序列的计算量，相比传统主动均衡器设计，该发明均衡收敛速度快，均衡过程获取最优控制序列计算量大大减少。

技术领域

本发明涉及锂电池组主动均衡器的控制方法，特别涉及一种基于模型预测控制的锂电池组主动均衡控制方法。

背景技术

电池组的均衡是实现电池电量有效利用、保障电池组充放电安全的有效技术。由于电池在生产时个体间存在差异以及在使用时工况上的差别，导致随时间增长，各单体电池间的容量差异越来越大，在充电时如果存在某节电池电量较多，当该节电池先充满时，整个电池组就需要停止继续充电(否则已经充满的电池会因过充而爆炸)，如图1(1)所示；同理在放电过程中电量最低的电池首先耗完电荷，导致整个电池组停止继续放电(否则已经放空的电池会因过放导致永久损坏)，如图1(2)所示。上述两种情况都会因为提前终止充电或者放电，限制了电堆电荷的有效利用，因此需要均衡技术保持各电池组电量的一致。目前电动汽车主要使用被动均衡技术，其特点是电路简单可靠，通过与电池并联的开关和放电电阻将电量多的电荷耗散，但该方法造成了电荷的损耗，且均衡电流较小。为提高均衡电流和减少均衡造成的额电荷耗散，主动均衡被提出。

主动均衡根据均衡器拓扑的不同，其工作原理稍有差别，但都是通过电容或者电感作为电荷临时存储的元件，实现高效的电荷转移，本专利使用的拓扑如图2,该拓扑使用双向反激电路，如图3所示，可以实现电流的双向流动，即可以通过电堆对单体电池充电，也可以单体电池对电堆充电，其中MOSFET使用凌力尔特公司的LTC3300芯片提供驱动。为解决每个反激电路应该对电池充电还是放电以达到高效均衡的问题，本发明建立了该主动均衡器的模型，使用模型预测控制，将原始优化目标问题转化为最小二乘问题，采用分支界定法以较小的计算代价求得最优的控制序列。

发明内容

本发明主要提供了一种基于模型预测控制的电池组主动均衡控制方法，其提出了一种主动均衡器的模型和均衡的优化目标函数，并通过将原始问题转化为最小二乘的整数规划问题求解最优的控制序列，该方法解决了在使用直接模型预测控制使用暴力枚举法计算量大的问题，对主动均衡器控制策略具有重要意义。

本发明采用如下技术方案：一种基于模型预测控制的锂电池组主动均衡控制方法，所述锂电池组中包含多个单体电池，每个单体电池并联一个由双向反击电路构成的DC/DC转换器，包括以下步骤：

步骤一：建立主动均衡器的状态空间模型：

其中x(k)表示k时刻的系统状态变量，x＝[SoC₁SoC₂…SoC_S]^T,SoC_i表示第i节电池的荷电状态，S表示电堆单体电池的数目；K为常量，其中，Δt为DC/DC转换器传输电荷的周期，I₀为单周期内转移的电荷，C为单个电池的容量；u为均衡器的控制变量矩阵u＝[u₁u₂…u_S]^T，其中u_i为第i节电池的DC/DC转换器的控制变量，定义为

y(k)为均衡器输出，即输出为所有电池均衡后的荷电状态。

步骤二：确定均衡器的控制目标函数